Timp de decenii, cobaltul a fost considerat unul dintre cele mai bine înțelese metale magnetice. Structura sa cristalină și proprietățile de bază au fost studiate extensiv, ceea ce i-a determinat pe oamenii de știință să creadă că mai erau puține surprize de descoperit. Deși cobaltul este folosit masiv în baterii și aliaje industriale, această descoperire cuantică îi oferă o valoare cu totul nouă, transformându-l într-un candidat ideal pentru electronica viitorului. Însă noi cercetări au revelat că acest element familiar ascunde un peisaj cuantic neașteptat de complex în structura sa electronică. Acest progres în fizica cuantică a cobaltului depășește granițele teoretice, deschizând calea pentru calculatoare mult mai rapide și mai eficiente energetic.
O echipă internațională condusă de dr. Jaime Sánchez-Barriga, de la Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), a descoperit că cobaltul conține o rețea bogată de stări electronice topologice care rămân stabile chiar și la temperatura camerei. Descoperirile contrazic ipotezele de lungă durată despre acest metal și sugerează că el ar putea juca un rol important în viitoarele tehnologii electronice și bazate pe spin.
Măsurători avansate dezvăluie caracteristici cuantice ascunse
Cercetătorii au utilizat spectroscopia de fotoemisie rezolvată în spin și unghi (spin-ARPES) la instalația de radiații sincrotrone BESSY II pentru a examina structura electronică a cobaltului cu un nivel de detaliu fără precedent. Măsurătorile lor au descoperit o rețea densă de linii nodale magnetice, care sunt intersecții topologice speciale ale benzilor, unde două stări electronice polarizate în spin se intersectează continuu fără a forma o bandă interzisă.
În loc să apară în puncte izolate, aceste intersecții se extind de-a lungul unor traiectorii în spațiul impulsului pe tot cristalul. Stările electronice rezultate pot susține purtători de sarcină extrem de rapizi și topologic robuști, ceea ce le face deosebit de atractive pentru viitoarele tehnologii informaționale și aplicații spintronice.
„Cobaltul este unul dintre cele mai cunoscute și studiate elemente feromagnetice din ultimii 40 de ani, iar structura sa electronică era considerată a fi bine înțeleasă. Cu toate acestea, ceea ce descoperim este o structură de bandă interesantă din punct de vedere topologic, cu numeroase intersecții și noduri care domină comportamentul său electronic de joasă energie. Acest lucru schimbă complet înțelegerea noastră actuală asupra proprietăților fundamentale ale acestui material elementar.”, spune fizicianul din cadrul HZB, dr. Jaime Sánchez-Barriga, care a condus studiul, citat de publicația Science Daily.
Controlul magnetic al stărilor cuantice: ce înseamnă asta pentru spintronică?
Unul dintre aspectele cele mai semnificative ale liniilor nodale recent descoperite este faptul că acestea sunt inerent polarizate din punct de vedere al spinului. Deoarece cobaltul este feromagnetic și încalcă simetria de inversare a timpului, stările electronice asociate cu aceste linii nodale poartă o polarizare netă a spinului.
Important este faptul că această polarizare de spin poate fi complet inversată prin schimbarea direcției magnetizării materialului. Acest lucru oferă un control magnetic direct asupra purtătorilor de sarcină legați de liniile nodale, o capacitate care nu există în materialele cu linii nodale nemagnetice și care este extrem de dorită pentru tehnologiile spintronice.
„Materialele cu linii nodale magnetice sunt rare în natură, iar în majoritatea cazurilor cunoscute astfel de intersecții sunt extrem de dificil de stabilizat sau controlat. Observarea mai multor linii nodale protejate de simetrie într-un feromagnet elementar simplu este, prin urmare, extrem de neașteptată și stabilește cobaltul ca sistem model pentru studierea interacțiunii dintre topologie și magnetism.”, explică Sánchez-Barriga.
Teoria confirmă rezultatele experimentale
Rezultatele experimentale au fost susținute de calcule bazate pe principiile fundamentale, realizate pe baza teoriei funcționale a densității, efectuate de o echipă teoretică condusă de dr. Maia G. Vergniory, de la Centrul Internațional de Fizică Donostia și Université de Sherbrooke.
Aceste calcule au identificat cu succes toate liniile nodale prezente în structura electronică a cobaltului și au arătat o concordanță excelentă cu măsurătorile experimentale. Analiza a confirmat că liniile nodale sunt protejate de simetrii cristaline oglindă care acționează împreună cu feromagnetismul. Intersecțiile rămân, de asemenea, fără goluri chiar și atunci când se ia în considerare cuplajul spin-orbită.
Electronii se comportă ca particule fără masă
„În anumite direcții din interiorul cristalului, liniile nodale se intersectează și traversează energia Fermi, unde electronii se pot mișca liber. În apropierea acestor intersecții, electronii din material se comportă ca particule fără masă, de tip relativist, similar cu modul în care se comportă lumina, și pot călători extrem de repede. Acesta este un comportament excepțional care nu a mai fost observat până acum la niciun feromagnet elementar. Mai mult, prin schimbarea direcției câmpului magnetic, este posibil fie să se deschidă o bandă la intersecție, fie să se controleze complet textura de spin a liniilor nodale, păstrând în același timp proprietățile unice ale stării fără bandă. Acesta este exact tipul de funcționalitate de comutare on-off căutat pentru aplicații practice.”, explică Sánchez-Barriga.
Capacitatea de a manipula aceste stări electronice folosind câmpuri magnetice ar putea face din cobalt o platformă valoroasă pentru dezvoltarea dispozitivelor viitoare care se bazează pe controlul atât al sarcinii, cât și al spinului.
Noi posibilități pentru magnetism și materiale cuantice
Dincolo de potențialele aplicații tehnologice, cercetătorii consideră că descoperirea ar putea indica existența unor caracteristici topologice ascunse similare în alte feromagnete elementare și în metale de tranziție. Dacă se confirmă, acest lucru ar putea deschide calea către descoperirea unei game largi de fenomene cuantice până acum necunoscute în materiale care au fost studiate de zeci de ani.
Echipa a propus, de asemenea, mai multe modalități de a regla în continuare aceste proprietăți, inclusiv investigarea interfețelor cu materiale care conțin elemente grele cu sarcină nucleară ridicată și explorarea modului în care comportamentul se modifică în dimensiuni reduse.
La nivel practic, această descoperire nu este doar o curiozitate de laborator, ci promisiunea unei revoluții hardware. Concret, materialul ar putea fi folosit pentru a construi memorii magnetice (MRAM) de mii de ori mai rapide, care nu își pierd datele la oprirea curentului și consumă o fracțiune din energia necesară astăzi. De asemenea, noile proprietăți ale cobaltului deschid calea către procesoare neuromorfice – sisteme de calcul extrem de eficiente, inspirate de creierul uman – și senzori cuantici avansați, componente care vor fi esențiale pentru dezvoltarea mașinilor autonome, a inteligenței artificiale și a serverelor din deceniul următor.
Rezultatele evidențiază modul în care chiar și unele dintre cele mai cunoscute materiale pot produce încă surprize științifice majore. Descoperirea sugerează că înțelegerea noastră asupra metalelor feromagnetice rămâne incompletă și dezvăluie noi oportunități de cercetare în domeniul magnetismului, al materiei topologice și al excitațiilor neobișnuite care apar din aceste stări cuantice.
Studiul a fost publicat în Communications Materials.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Oamenii care par buni vânători-culegători sunt preferați ca prieteni, arată un studiu
O grăsime alimentară obișnuită poate favoriza diabetul de tip 2, în timp ce alta ajută la combaterea lui
De ce aceeași leziune a ADN-ului provoacă cancer doar la unele persoane — genele moștenite ar putea explica diferența
Un nou aliaj, de până la 10 ori mai rezistent decât oțelul, se îndoaie în loc să crape. Care este utilitatea sa
